Silicium, een halfgeleidend materiaal, onthult nieuwe talenten wanneer ze worden teruggebracht tot nanoscopische afmetingen. Een gezamenlijk team van het HZB Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion en het Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) heeft dit aangetoond. Silicium nanocones genereren 200 keer zoveel infrarood luminescentie als nanokolommen van vergelijkbare grootte wanneer ze worden geëxciteerd door zichtbaar licht. Modellering en experimentele resultaten laten zien dat vanwege hun geometrie, kegels zijn in staat om zogenaamde fluistergalerij-modi bij infrarode golflengten te ondersteunen die de siliciumluminescentie kunnen versterken. Nieuwe toepassingen zijn denkbaar, inclusief op silicium gebaseerde nanolasers.

Silicium is een conventioneel materiaal voor computerchips en zonnecellen. Echter, hoewel de eigenschappen van silicium bekend zijn, nanostructuren bieden nog steeds verrassingen. Een team onder leiding van prof. Silke Christiansen van het HZB Institute of Nanoarchitectures for Energy Conversion heeft samen met het Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) voor het eerst laten zien hoe licht zich gedraagt ​​in een silicium nanocone. Hun numerieke simulaties en experimenten laten nu zien waarom deze taps toelopende geometrie veel beter optisch opgewekte luminescentie kan uitzenden dan nanokolommen van vergelijkbare grootte. "De kegels functioneren als reeksen van kleine fluistergalerijen - niet voor geluid, maar eerder voor licht", legt Sebastian Schmitt uit, eerste auteur.

Sterke luminescentie in nanocones

Schmitt en zijn collega George Sarau bestraalden individuele silicium nanokolommen en nanocones met rood laserlicht (660 nanometer) en maten de straling die vervolgens als luminescentie door het monster werd uitgezonden. Het is bekend dat luminescentie in silicium (zonder enige nanostructurering) normaal gesproken erg laag is omdat aangeslagen elektronen in dit materiaal nauwelijks stralingshercombineren (indirecte bandgap). In tegenstelling tot, de nanostructuren zetten een veel groter deel van het invallende licht om in elektromagnetische straling in het nabij-infraroodgebied. Dit effect is in nanocones 200 keer sterker dan in nanokolommen. "Dit is de hoogste luminescentiewinst ooit gemeten in een siliciumstructuur", zegt Schmitt.

Fluisterende galerijmodi

Het team kan ook uitleggen waarom dit is. De voortplanting van elektromagnetische golven in verschillende geometrieën van silicium nanodraden kan worden berekend met behulp van numerieke modellering. Omdat de diameter van de nanoconus verandert met de hoogte, er zijn verschillende niveaus waarop het infrarood licht constructief wordt gesuperponeerd om staande golven te vormen. Deze versterking vergemakkelijkt een verhoogde excitatie van elektronen en dus de afgifte van luminescentie. Dit fenomeen staat in het veld bekend als het Purcell-effect. Als een lichtbron zich in een optische resonator bevindt, spontane emissie van licht neemt toe. De nanocones fungeren als uitstekende resonatoren, zoals optische fluistergalerijen voor licht.

Ontwerpregels voor nieuwe apparaten

"Dit soort nanostructuren gemaakt van individuele kegels zijn niet moeilijk te fabriceren", legt Schmitt uit. Ze zouden gemakkelijk als nieuwe componenten kunnen worden geïntegreerd in de overheersende CMOS-fabricagetechnieken voor halfgeleiders die worden gebruikt voor diodes, opto-elektronische schakelaars, en optische sensoren, bijvoorbeeld. Deze structuren zouden zelfs laserlicht kunnen produceren in combinatie met een geschikt optisch actief medium, vermoedt de natuurkundige. "We kunnen met dit soort kennis eenvoudige ontwerpregels voor halfgeleider-nanostructuren afleiden om controle uit te oefenen over het aantal en de golflengten van gehoste modi en daarmee de luminescentie te beheersen", zegt Christiansen.